1. Introducción
Como dispositivo central de almacenamiento de energía para vehículos de nueva energía, centrales eléctricas de almacenamiento de energía y equipos electrónicos portátiles, las baterías de iones de litio tienen una densidad energética, una vida útil y una seguridad que determinan directamente el techo de desarrollo de las industrias posteriores.Espuma de níquel Gracias a sus ventajas sinérgicas entre estructura y rendimiento, ha demostrado un rendimiento excepcional al resolver problemas como la baja eficiencia de los colectores de corriente de las baterías de iones de litio tradicionales y el uso insuficiente de materiales activos. Se ha convertido en un material auxiliar clave para la investigación y el desarrollo de baterías de iones de litio de alto rendimiento. Este artículo analiza sus características principales, su mecanismo de acción y el progreso de su aplicación.
2. Análisis básico de la espuma de níquel
2.1 Estructura y propiedades
El níquel espumado presenta una estructura de red tridimensional interconectada, con una porosidad típica del 80%-95%, una superficie específica de hasta 1-5 m²/g, una resistividad de tan solo 5-10 μΩ·cm a temperatura ambiente y una resistencia a la tracción de aproximadamente 15-30 MPa. Su alta porosidad permite una alta carga de materiales activos (como cátodos de azufre y ánodos de silicio) en baterías de iones de litio (entre un 20% y un 40% mayor que en los colectores de corriente tradicionales de lámina de aluminio). Su excelente conductividad eléctrica y resistencia mecánica reducen la pérdida de transmisión de electrones, a la vez que resisten la expansión de volumen de los electrodos durante los ciclos de carga y descarga, lo que proporciona soporte estructural para el funcionamiento estable a largo plazo de las baterías.
2.2 Procesos de preparación
Los principales métodos de preparación se dividen en electrodeposición y reducción química:
Método de electrodeposición: Utilizando espuma de poliuretano como sustrato, se deposita una capa de níquel sobre la superficie del esqueleto mediante un proceso de galvanoplastia, seguido de desengrasado a alta temperatura y sinterización por reducción para formar níquel espumoso. La pureza del producto puede superar el 99,5 %, con un error de uniformidad de apertura inferior al 5 %. Sin embargo, la inversión en equipos de galvanoplastia es elevada, y el coste de producción por tonelada ronda los 30 000-50 000 RMB.
Método de reducción química: Se mezcla una solución de sal de níquel con un agente reductor (como hipofosfito de sodio) y se produce una reacción de reducción en la superficie de la plantilla porosa para formar una capa de níquel. El costo es solo entre el 60 % y el 70 % del método de electrodeposición, lo que lo hace adecuado para la producción en masa a escala de 10 000 toneladas. Sin embargo, la pureza del producto se ve fácilmente afectada por las impurezas, y puede producirse desprendimiento microestructural durante el uso prolongado.
La selección de los dos procesos debe determinarse de manera integral en función del escenario de aplicación de las baterías de iones de litio (por ejemplo, las baterías de energía tienen altos requisitos de pureza, mientras que las baterías de almacenamiento de energía se centran más en el costo).
3. Mecanismo de acción en baterías de iones de litio
3.1 Función como colector de corriente de electrodo
Al utilizarse como colector de corriente catódico o anódico, la estructura de red tridimensional de la espuma de níquel permite construir una red conductora tridimensional. La longitud del recorrido de transmisión de electrones se acorta entre un 40 % y un 60 % en comparación con las láminas metálicas tradicionales (como el aluminio y el cobre), lo que reduce la resistencia interna de la batería entre un 15 % y un 25 %. Al mismo tiempo, su estructura porosa permite alojar más electrolito, lo que mejora la eficiencia de transmisión de iones. En la prueba de carga-descarga a una velocidad de 1C, la tasa de retención de la capacidad de la batería aumenta entre un 8 % y un 12 % en comparación con los colectores de corriente tradicionales, optimizando significativamente su rendimiento.
3.2 Rendimiento de la actividad catalítica
En las baterías de litio-aire, los átomos de níquel en la superficie del níquel espumoso pueden actuar como sitios activos catalíticos para la reacción de reducción de oxígeno (ORR) y la reacción de evolución de oxígeno (OER), reduciendo la energía de activación de la reacción en aproximadamente 0,2-0,3 eV y estrechando la brecha de voltaje de carga-descarga de la batería en un 10%-15%; en las baterías de litio-azufre, el níquel espumoso puede inhibir el efecto lanzadera del polisulfuro de litio y reducir la pérdida de materiales activos a través de la adsorción química, reduciendo la tasa de descomposición de la capacidad de la batería después de 500 ciclos a menos del 20% (las baterías tradicionales suelen superar el 30%).
3.3 Impacto integral en el rendimiento de la batería
Desde la perspectiva de los datos de pruebas reales, las baterías de iones de litio que utilizan colectores de corriente de níquel espumado:
La densidad energética aumenta entre un 10% y un 30% (por ejemplo, las baterías ternarias de litio aumentan de 280 Wh/kg a 350 Wh/kg);
El ciclo de vida se extiende entre un 50% y un 100% (por ejemplo, la tasa de retención de capacidad de las baterías de fosfato de hierro y litio después de 2000 ciclos supera el 85%, mientras que la de las baterías tradicionales es de aproximadamente el 60%);
Se optimiza el rendimiento a baja temperatura y la eficiencia de carga y descarga a -20 ℃ aumenta entre un 15 % y un 20 % en comparación con las baterías tradicionales, lo que puede satisfacer las necesidades de uso de vehículos de nueva energía en las frías regiones del norte.
4. Avances de la investigación y casos de aplicación
4.1 Tendencias de investigación de vanguardia
La investigación actual se centra en la modificación del níquel en espuma para superar los obstáculos en el rendimiento:
Modificación compuesta: combinación de grafeno y nanotubos de carbono con níquel espumado para construir una red conductora sinérgica de níquel-carbono, que aumenta la conductividad eléctrica del material en un 30%-50% al tiempo que mejora la resistencia a la corrosión;
Modificación de la superficie: Formación de una capa protectora en la superficie de la espuma de níquel a través de la galvanoplastia de cobalto, aleación de níquel-fósforo, etc. La tasa de corrosión en electrolitos ácidos (como electrolitos de baterías de litio-azufre) se reduce a menos de 0,01 mm/año (la espuma de níquel sin modificar es de aproximadamente 0,05 mm/año);
Optimización estructural: Desarrollo de níquel espumado con gradiente de poros (pequeño tamaño de poro en la superficie, grande en la capa interna), que no solo garantiza la carga de materiales activos, sino que también reduce la impedancia del electrolito. Las tecnologías relevantes se han verificado en muestras de laboratorio de empresas como CATL y BYD.
4.2 Estado de aplicación práctica
El níquel espumado ha alcanzado una aplicación a gran escala en dos tipos de baterías de iones de litio:
Baterías de litio-azufre: Una empresa nacional utiliza níquel espumoso recubierto de carbono como colector de corriente catódico. Las baterías de litio-azufre producidas tienen una densidad energética de 450 Wh/kg y se han instalado en pequeños UAV, con una autonomía un 40 % superior a la de las baterías de iones de litio tradicionales.
Baterías de energía: Tesla utiliza colectores de corriente de ánodo reforzados con níquel y espuma en la investigación y el desarrollo de las baterías 4680, lo que aumenta la capacidad de carga y descarga de la batería a 4 C (carga completa en 15 minutos) al tiempo que reduce el riesgo de fuga térmica;
En la actualidad, el principal problema que restringe la aplicación a gran escala sigue siendo el costo: el costo de los colectores de corriente de níquel espumado representa aproximadamente el 8%-12% del costo total.material de la bateríacosto (los colectores de corriente tradicionales sólo representan entre el 3% y el 5%) y se requiere una mayor reducción de costos mediante la optimización del proceso.
5. Desafíos y perspectivas
5.1 Problemas existentes
Además de los problemas de costos, hay dos desafíos fundamentales:
Estabilidad insuficiente: en baterías de iones de litio de alto voltaje (por ejemplo, por encima de 4,5 V), la espuma de níquel es propensa a reacciones de interfaz con el electrolito, generando compuestos de Ni³⁺, lo que lleva a un aumento de la impedancia de la batería y la tasa de disminución de la capacidad supera el 25 % después de 1000 ciclos;
Control de consistencia: Durante la producción a gran escala, es probable que la desviación del tamaño de poro y el espesor de la espuma de níquel supere el ±10%, lo que genera diferencias de rendimiento entre lotes de baterías y afecta el control de calidad de las empresas posteriores.
5.2 Direcciones futuras de desarrollo
Reducción de costos del proceso: desarrollo de tecnología de electrodeposición sin plantillas para eliminar el sustrato de espuma de poliuretano, lo que se espera que reduzca los costos de producción en más de un 30 %;
Adaptación a múltiples escenarios: para nuevos sistemas de almacenamiento de energía, como baterías de litio de estado sólido y baterías de iones de sodio, desarrollar materiales derivados del níquel en espuma con baja impedancia y alta compatibilidad (por ejemplo, portadores de electrolitos sólidos compuestos a base de níquel);
Actualización de la industrialización: introducción de sistemas de inspección visual de IA para controlar el error de consistencia de los productos de níquel espumado dentro de ±5%, satisfaciendo las necesidades de producción en masa de baterías de energía.
